CN109596996A - 一种电池内阻检测模块与检测方法及集成该模块的充电器与移动电源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池检测技术领域。公开一种电池内阻检测模块，包括检测电池电压的电压检测电路、对电池进行恒流放电的恒流负载电路以及控制单元，控制单元控制恒流负载电路开启或停止对电池放电，采集电池开启及停止放电时电压检测电路所检测到的电压信号，并根据所采集电压信号的差值计算出电池内阻。本发明的电池内阻检测模块无需外接电源或外接负载，也无需设置用于转换外接电源的电源转换电路，电路简易、体积小、成本低。

Description

一种电池内阻检测模块与检测方法及集成该模块的充电器与 移动电源

技术领域

本发明涉及电池检测技术领域，尤其涉及电池内阻检测技术。

背景技术

电子产品越来越多使用锂电池作为电源进行供电，使用品质匹配的锂电池可以保证电子产品安全正常地工作，然而锂电池本身的品质相差颇大，对于同样品质的锂电池，随着使用时间的延长，其品质也会有所变化。电子产品的普通用户很难辨别锂电池的品质，由此可能造成锂电池的误用或混用，而影响电子产品及锂电池本身的性能，甚至造成安全隐患。

例如，对于供电电流要求比较大的产品，需要使用可大电流供电的电池，如果用户错误的使用了只能小电流供电的电池，那么既会损害电池本身的寿命，也会导致续航时间不足并可能造成发热严重，甚至有电池起火爆炸的安全风险。如果用户能够很简单、很方便地辨别锂电池的品质，则可有效避免上述问题的发生。

电池内阻可作为衡量电池最大充放电电流能力等品质的重要指标，然而现有电子产品在进行电池内阻测试时通常需要外接电源发生信号进行检测，或外接负载(例如外接待充电产品)来对电池进行放电实现检测。而可移动式电子产品在户外使用时可能并没有外接电源或外接负载使用。且上述外接电源的方式，需设置额外的电压变换电路来提供系统合适的工作电压以及偏置电压，造成电路复杂元件多、电路成本高以及电路占用空间大等问题，因此不适于便携式可移动电子产品使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种简易低成本的电池内阻检测模块，可内置于电子产品中，简单、方便地对主体产品电池内阻进行检测。

为解决该问题，本发明提供一种电池内阻检测模块，包括：

检测电池电压的电压检测电路；

对电池进行恒流放电的恒流负载电路；

以及控制单元；

所述控制单元输出控制信号控制恒流负载电路开启或停止对电池放电，采集电池开启及停止放电时电压检测电路所检测到的电压信号，并根据所采集电压信号的差值计算出电池内阻。

进一步地，所述控制信号为多周期脉冲信号，控制恒流负载电路反复多次开启及停止对电池放电，所述电压信号的差值为多次开启及停止放电时电压信号差值的平均值。

进一步地，所述恒流负载电路可以采用以下结构：

包括运算放大器、开关器件及采样电阻；

所述运算放大器两输入端分别接基准电压及控制单元控制信号，输出端接开关器件控制端；

所述开关器件接于电池与采样电阻之间，根据运算放大器输出的控制端信号导通或截止；

所述采样电阻上的电压反馈至运算放大器与控制单元控制信号相接的输入端；

运算放大器控制开关器件在所述控制信号无脉冲输出时导通，并根据采样电阻上的电压调整控制端信号，使所述电压恒定。

进一步地，所述恒流负载电路还包括接于采样电阻与运算放大器输入端之间的滤波电路。

进一步地，该电池内阻检测模块还包括向所述运算放大器提供基准电压的基准电压发生电路。

进一步地，所述开关器件为NMOS管或NPN型三极管，所述开关器件控制端为NMOS管的栅极或NPN型三极管的基极，所述运算放大器正输入端接基准电压，负输入端接控制单元控制信号。

进一步地，所述开关器件为PMOS管或PNP型三极管，所述开关器件控制端为PMOS管的栅极或PNP型三极管的基极，所述运算放大器正输入端接控制单元控制信号，负输入端接基准电压。

进一步地，所述恒流负载电路还可以采用以下结构：

包括开关器件及采样电阻；

所述控制单元控制信号接开关器件控制端；

所述开关器件接于电池与采样电阻之间，根据控制信号导通或截止；

所述采样电阻上的电压反馈至控制单元；

所述控制信号为PWM信号，控制单元根据所述电压计算放电电流，对比放电电流与预设电流值，并根据对比结果调节PWM信号的占空比使放电电流恒定。

进一步地，上述恒流负载电路还包括接于采样电阻与控制单元之间的滤波电路，以及接于控制单元与开关器件控制端之间的滤波电路。

进一步地，采用上述两种结构的电池内阻检测模块还包括电池内阻值信号输出端。

进一步地，所述开关器件为NMOS管、PMOS管、NPN型三极管或PNP型三极管，所述开关器件控制端为NMOS管、PMOS管的栅极或NPN型三极管、PNP型三极管的基极。

本发明同时提供一种电池内阻检测方法，包括：

控制恒流放电负载对电池进行恒流放电，采集此时的电池电压；

停止恒流放电，采集此时的电池电压；

计算电池恒流放电及停止恒流放电时的电压差；

根据所述电压差计算电池内阻值。

进一步地，所述方法还包括：反复进行恒流放电、停止恒流放电及电池电压采集；

所述电压差为多次采集电压之差的平均值。

本发明还提供一种集成上述电池内阻检测模块、使用上述电池内阻检测方法的充电器或移动电源，该充电器或移动电源的主控单元与所述电池检测模块的电池内阻值信号输出端连接，或者该充电器或移动电源与所述电池检测模块共用控制单元。

本发明通过设置恒流负载电路对电池进行恒流放电，根据恒流放电及停止放电时的电压差即可得到电池内阻。无需外接电源或外接负载，也无需设置用于转换外接电源的电源转换电路，因此可以简化电路，减小电路体积，降低成本。也因此，可以将其集成于电子产品中，方便电子产品的普通用户通过对电池内阻的检测来辨别电池的品质。

附图说明

附图1为本发明电池内阻检测模块的电路结构框图；

附图2-5为本发明电池内阻检测模块一实施例的电路结构示意图；

附图6为本发明电池内阻检测模块另一实施例的电路结构示意图；

附图7为本发明电池内阻检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1-6所示，本发明的电池内阻检测模块包括电压检测电路、恒流负载电路及控制单元。电压检测电路检测电池B1两端的实时电压；恒流负载电路，对电池进行恒流放电；控制单元输出控制信号控制恒流负载电路开启或停止对电池放电，采集电池开启及停止放电时电压检测电路所检测到的电压信号，并根据所采集电池开启放电时电压信号与电池停止放电时电压信号的差值计算出电池内阻。

电压检测电路包括电阻R1、R2及电容C1，R1一端接电池正极，另一端与R2串接，R2与C1并联后接地。取R1与R2相接节点的电压接入控制单元，作为电池实时电压信号VB。

控制单元U1可采用单片机、FPGA等具有运算能力的器件，输出控制信号控制恒流负载电路的开启及关闭，即控制对电池进行放电以及停止放电。由于上述器件在对电池实时电压进行采集时存在一定的误差，因此控制单元U1输出的控制信号为具有固定频率的多个周期的脉冲，可以控制恒流负载电路对电池进行反复多次恒流放电及停止放电的动作。相应地，控制单元U1对多次开启及停止放电时电池的实时电压信号进行采集，分别计算每次开启及停止放电时实时电压的差值，并求取多次的平均值作为电压信号差值，以提高电池实时电压信号的精度，从而提高最终运算结果的精度。

如图2-5为本发明电池内阻检测模块的一种实施例。

在该实施例中，恒流负载电路包括运算放大器U3、开关器件Q1、采样电阻R6、及滤波电路。运算放大器U3两输入端分别接基准电压Vref1及控制单元控制信号DISCH_EN；运算放大器U1根据上述两信号的对比结果输出信号至开关器件Q1的控制端；滤波电路连接在采样电阻R6与运算放大器输入端之间，由电阻R7、电容C3构成，对采样电阻R6上的电压信号进行滤波，以保证电路运行更精确；采样电阻R6上的电压经滤波后反馈至运算放大器U1与控制单元控制信号相接的输入端。

开关器件Q1可采用如图2所示的NMOS管、如图3所示的NPN型三极管、如图4所示的PMOS管、或者如图5所示的PNP型三极管；相应的，开关器件Q1的控制端为NMOS管、PMOS管的栅极，或NPN型三极管、PNP型三极管的基极。而运算放大器U1输入端的连接方式也会因开关器件的不同而有所区别，当开关器件Q1采用NMOS管或NPN型三极管时，运算放大器U1的正输入端接基准电压，负输入端接控制单元的控制信号；当开关器件Q1采用PMOS管或PNP型三极管时，运算放大器U1正、负输入端与基准电压、控制单元控制信号的连接则相反。

下面以图2、3所示连接方式为例，对本实施例恒流负载电路的运行进行详细描述。

开关器件Q1接于电池B1与采样电阻R6之间，当控制信号有脉冲输出，即DISCH_EN为高电平时，DISCH_EN的电压大于基准电压Vref1，运算放大器U1正输入端电压始终小于负输入端电压，因此其输出始终为低电平，开关器件Q1截止，电池不放电。

当控制信号无脉冲输出，即DISCH_EN为floating时，运算放大器U1负输入端的电压实际为C3上的电压，其输出由C3上的电压VC3与参考电压Vref1决定。由于R7与R6相比的阻值很小，R7上的压降可忽略不计，因此，可以认为C3上的电压VC3即采样电阻R6上的电压。

初始状态下VC3为0，此时由于Vref1>VC3，运算放大器U1输出高电平，开关器件Q1开始导通，电池放电，在采样电阻R6上产生压降，VC3升高，运算放大器U1输出的电压随之升高。此时可将开关器件Q1视作一个可调电阻Rds，Rds随着运算放大器U1输出电压的升高逐渐减小，采样电阻R6上通过的电流逐渐增大，采样电阻R6上的电压VC3也随之增大，直到VC3＝Vref1后，运算放大器U1输出稳定，并形成动态平衡，使得采样电阻R6上的电压VC3始终等于参考电压Vref1。

该恒流负载电路通过调整开关器件Q1控制端的电压，来调整开关器件Q1的导通阻抗，从而调整采样电阻R6上的电压使其保持恒定。而电池的放电电流Iout＝VB/(Rds+R6)，开关器件Q1的导通阻抗极小，可以认为Iout＝VC3/R6＝Vref1/R6，因此通过该采样电阻的电流即为电池的放电电流，采样电阻R6上的电压恒定，则电池的放电电流恒定，由此实现对电池的恒流放电。而通过调整采样电阻R6的阻值以及参考电压Vref1的值即可得到需要的恒流放电电流。

电池内阻近似于电压信号差值与放电电流的比值，因此，控制单元根据电池开启及停止放电时电压信号的差值与该放电电流，即可计算出电池内阻。

上述运算放大器所采用的基准电压可以取自控制单元内置基准，也可以额外设置基准电压发生电路。以保证电路运行的精度，从而保证最终的内阻检测精度，该电路可分别向控制单元及运算放大器提供基准电压Vref及Vref1。

如图2-5，基准电压发生电路由电阻R3、稳压二极管U2、电容C2、电阻R4及电阻R5构成，电阻R3一端接电池正极，R4与R5串联后与C2并联并接地，R3另一端与R4、R5、C2的串并联结构串联，R3与上述串并联结构之间设置有稳压二极管U2，在稳压二极管U2的作用下，基准电压Vref及Vref1均保持稳定。

在本发明电池内阻检测模块的另一实施例中，恒流负载电路也可以由开关器件Q1、采样电阻R6及滤波电路构成，如图6所示。控制单元U1输出的控制信号DISCH_EN为脉冲宽度可调的PWM信号，PWM信号接开关器件Q1的控制端；开关器件Q1接于电池与采样电阻R6之间，根据PWM信号导通或截止，控制电池放电或停止放电；通过采样电阻R6的放电电流Iout在采样电阻R6上形成压降，该电压反馈至控制单元U1；控制单元U1根据该电压计算出放电电流Iout，对该电流与电流预设值进行比较，并根据比较结果调整PWM信号的占空比，从而调节放电电流使其恒定。

开关器件Q1及其控制端同上一实施例。

滤波电路包括连接在控制单元U1与开关器件Q1之间的RC积分电路，由R3与C2构成，可以将控制单元U1输出的PWM波形滤波为直流电压；还包括连接在采样电阻R6与控制单元U1之间的RC积分电路，同上一实施例。

上述直流电压的电压值与PWM信号的占空比成正比，即Vgs＝D％*Vh，其中Vgs为加在开关器件Q1控制端的直流电压值，Vh为PWM信号的高电平电压幅值，D％为PWM信号的占空比。原理同上一实施例，通过调整PWM信号的占空比D％即可实现调整Vgs从而达到调节Q1导通阻抗的目的，当检测到Iout没有达到预设值时，增大占空比，当检测到Iout超过预设值时，减小占空比。如此即形成一个完整负反馈，使得流过R6的电流Iout始终等于预设值，实现对电池的恒流放电。

该实施例无需提供基准电压至运算放大器，因此可以省去基准电压发生电路，控制单元可采用其内置基准电压，计算放电电流。因此，该实施例较前一实施例，成本更低，体积更小，但恒流精度及检测精度相对差一些，可应用于对精度要求不高的场合。

下面结合图2、图3对本发明电池内阻检测模块具体的工作过程进行说明。

该过程包括：

A.数据采集：

在电池置入后，控制单元通电后开始执行其内部程序，将DISCH_EN置为高电平，此时由于Vref1<DISCH_EN，运算放大器U3输出低电平，Q1截止，电池放电电流为0，此时控制单元检测电池电压为VBn，并将该数据存入内存中待用；

当上述无负载电池电压数据采集完毕后，将DISCH_EN置为floating，此时运算放大器会输出一个可调整的电压使运算放大器的P端与N端保持电压一致，此时可知Q1与R6采样电阻形成一个可调电阻并且可通过公式计算出电池通过此可调电阻输出的电流为Iout＝Vref1/R6，此时Controller检测电池电压为VBLn，并将该数据也存入内存中待用；

以上两步循环N次后结束数据采集流程。

其中，对电池电压进行采集的时间长度取决于主控单元本身的运算速度以及相应的采集精度所需的采样次数，为了得到更精确的值，需要持续以及多次采样做比较与平均，设置采集时间大于或者等于主控单元理论最小采集时间即可；同样的，N的取值也取决于主控单元的采集精度所需的采样次数；同时，上述两个步骤对先后顺序并无限制。

B.数据处理及运算：

计算每次电池无负载与电池放电时的电压差＝VBn-VBLn，对多次电压差求取平均值，得到电压差VC，

VC＝((VB1-VBL1)+(VB2-VBL2)+...+(VBn-VBLn))/n

C.电池内阻运算：

电池内阻近似于电池压差除以放电电流，

内阻Ri＝VC/Iout＝VC*R6/Vref1。

根据上述工作过程并参考图7可知，本发明的电池内阻检测方法，包括以下步骤：

控制恒流放电负载对电池进行恒流放电，采集此时的电池电压；

停止恒流放电，采集此时的电池电压；

计算电池恒流放电及停止恒流放电时的电压差；

根据所述电压差计算电池内阻值。

为了提高电池内阻的检测精度，可以反复进行恒流放电、停止恒流放电及电池电压采集；相应地，电压差为多次采集电压之差的平均值。

本发明电池内阻检测模块中的电池通过恒流负载电路实现恒流放电，并根据恒流放电及停止放电时的电压差，即可得到电池内阻，无需外接电源或外接负载放电，也无需设置用于转换外接电源的电源转换电路，因此可以简化电路，减小电路体积，降低成本。也因此，可以很方便地将其集成于电子产品中，方便电子产品的普通用户通过对电池内阻的检测来辨别电池的品质。

为了便于集成后的应用，该电池内阻检测模块还可设置电池内阻值信号输出端，通过该输出端与电子产品主体的控制单元进行数据传输，将检测得到的内阻值传输给电子产品主体，传输方法可采用高低电平、I2C、UART等，电子产品主体接收该内阻值信号后，可进行内阻值的显示供用户参考，或者当所检测到的内阻值与电子产品主体性能要求不匹配时，作出报警或降低负载功率等保护动作，以提醒用户注意。从而可以大大提高电子产品的使用体验以及安全性。

电子产品主体的主控单元可以与该电池内阻检测模块的电池内阻值信号输出端连接，进行电池内阻值信号的传输；也可以不进行数据传输，电子产品主体与该电池内阻检测模块共用控制单元即可，即采用同一部件同时作为电子产品主体的主控单元及电池内阻检测模块的控制单元。

该电子产品可以是充电器或移动电源，产品主体工作时需外接电源或负载，实现对电池的充电，或电池对负载的充电，测试出的电池内阻值可作为充电器的充电电流调制依据之一，可以帮助判断移动电源是否开启快充模式，还可以作为上述电子产品电量运算的重要参考数据。

该电子产品也可以是其他的电子产品，内置或设置有可拆卸的电池，且其电池仅用于向电子产品主体提供工作电源，产品主体工作时，无需外接电源或负载，例如电子烟、大功率手电筒及其他使用电池的照明设备、无人机、手持云台等等。测试出的电池内阻值可用于判断置入电子烟、手持云台、无人机等的电池是否能够支持电子烟大电流放大，也可作为手电筒亮度降档的重要参考数据。

本发明的电池内阻检测模块同样适用于锂电池之外其他电池的内阻测试，因此，上述电子产品可以是使用锂电池的产品，也可以是使用其他电池的产品。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种电池内阻检测模块，其特征在于，包括：

检测电池电压的电压检测电路；

对电池进行恒流放电的恒流负载电路；

以及控制单元；

所述控制单元输出控制信号控制恒流负载电路开启或停止对电池放电，采集电池开启及停止放电时电压检测电路所检测到的电压信号，并根据所采集电压信号的差值计算出电池内阻。

2.根据权利要求1所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述控制信号为多周期脉冲信号，控制恒流负载电路反复多次开启及停止对电池放电，所述电压信号的差值为多次开启及停止放电时电压信号差值的平均值。

3.根据权利要求2所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述恒流负载电路包括运算放大器、开关器件及采样电阻；

所述运算放大器两输入端分别接基准电压及控制单元控制信号，输出端接开关器件控制端；

所述开关器件接于电池与采样电阻之间，根据运算放大器输出的控制端信号导通或截止；

所述采样电阻上的电压反馈至运算放大器与控制单元控制信号相接的输入端；

运算放大器控制开关器件在所述控制信号无脉冲输出时导通，并根据采样电阻上的电压调整控制端信号，使所述电压恒定。

4.根据权利要求3所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述恒流负载电路还包括接于采样电阻与运算放大器输入端之间的滤波电路。

5.根据权利要求4所述的电池内阻检测模块，其特征在于，该电池内阻检测模块还包括向所述运算放大器提供基准电压的基准电压发生电路。

6.根据权利要求5所述的电池内阻检测模块，其特征在于，该电池内阻检测模块还包括电池内阻值信号输出端。

7.根据权利要求3-6任一所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述开关器件为NMOS管或NPN型三极管，所述开关器件控制端为NMOS管的栅极或NPN型三极管的基极，所述运算放大器正输入端接基准电压，负输入端接控制单元控制信号。

8.根据权利要求3-6任一所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述开关器件为PMOS管或PNP型三极管，所述开关器件控制端为PMOS管的栅极或PNP型三极管的基极，所述运算放大器正输入端接控制单元控制信号，负输入端接基准电压。

9.根据权利要求2所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述恒流负载电路包括开关器件及采样电阻；

所述控制单元控制信号接开关器件控制端；

所述开关器件接于电池与采样电阻之间，根据控制信号导通或截止；

所述采样电阻上的电压反馈至控制单元；

所述控制信号为PWM信号，控制单元根据所述电压计算放电电流，对比放电电流与预设电流值，并根据对比结果调节PWM信号的占空比使放电电流恒定。

10.根据权利要求9所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述恒流负载电路还包括接于采样电阻与控制单元之间的滤波电路，以及接于控制单元与开关器件控制端之间的滤波电路。

11.根据权利要求10所述的电池内阻检测模块，其特征在于，该电池内阻检测模块还包括电池内阻值信号输出端。

12.根据权利要求9-11任一所述的电池内阻检测模块，其特征在于，所述开关器件为NMOS管、PMOS管、NPN型三极管或PNP型三极管，所述开关器件控制端为NMOS管、PMOS管的栅极或NPN型三极管、PNP型三极管的基极。

13.一种电池内阻检测方法，其特征在于，包括：

控制恒流放电负载对电池进行恒流放电，采集此时的电池电压；

停止恒流放电，采集此时的电池电压；

计算电池恒流放电及停止恒流放电时的电压差；

根据所述电压差计算电池内阻值。

14.根据权利要求13所述的电池内阻检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

反复进行恒流放电、停止恒流放电及电池电压采集；

所述电压差为多次采集电压之差的平均值。

15.一种集成电池内阻检测模块的充电器，其特征在于，该充电器包括权利要求1-6、9-11任一所述的电池内阻检测模块，使用权利要求13-14任一所述的电池内阻检测方法，该充电器的主控单元与所述电池检测模块的电池内阻值信号输出端连接。

16.一种集成电池内阻检测模块的充电器，其特征在于，该充电器包括权利要求1-5、9-10任一所述的电池内阻检测模块，使用权利要求13-14任一所述的电池内阻检测方法，该充电器与所述电池检测模块共用控制单元。

17.一种集成电池内阻检测模块的移动电源，其特征在于，该移动电源包括权利要求1-6、9-11任一所述的电池内阻检测模块，使用权利要求13-14任一所述的电池内阻检测方法，该移动电源的主控单元与所述电池检测模块的电池内阻值信号输出端连接。

18.一种集成电池内阻检测模块的移动电源，其特征在于，该移动电源包括权利要求1-5、9-10任一所述的电池内阻检测模块，使用权利要求13-14任一所述的电池内阻检测方法，该移动电源与所述电池检测模块共用控制单元。